EP1594655A1 - Verfahren zur feinbearbeitung einer zylindrischen innenfl ch e - Google Patents

Verfahren zur feinbearbeitung einer zylindrischen innenfl ch e

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EP1594655A1
EP1594655A1 EP03785876A EP03785876A EP1594655A1 EP 1594655 A1 EP1594655 A1 EP 1594655A1 EP 03785876 A EP03785876 A EP 03785876A EP 03785876 A EP03785876 A EP 03785876A EP 1594655 A1 EP1594655 A1 EP 1594655A1
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EP
European Patent Office
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honing
cone
cylindrical inner
area
fine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03785876A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich HÄRER
Franz Rückert
Helmut Schäfer
Peter Stocker
Oliver Storz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daimler AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1594655A1 publication Critical patent/EP1594655A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B33/00—Honing machines or devices; Accessories therefor
    • B24B33/02—Honing machines or devices; Accessories therefor designed for working internal surfaces of revolution, e.g. of cylindrical or conical shapes
    • B24B33/025—Internal surface of conical shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes

Definitions

  • the invention relates to a method for fine machining a cylindrical inner surface according to the preamble of claim 1.
  • DE 196 05 588 C2 describes a method in which a cylinder running surface is treated in an upper and lower dead center of a piston in such a way that it withstands higher wear conditions in these areas.
  • the known prior art is limited to the fine machining of a surface that has the same surface material throughout.
  • the cylinder surface is represented by different materials. This is a softer area, which is formed, for example, by the cast material of the cylinder crankcase, and a harder area, which is represented by a cylinder liner.
  • fine machining, especially honing is particularly difficult because the machining means used, e.g. B. the honing stone, smeared by the softer material and loses its grinding effect.
  • the object of the invention is to finish cylindrical inner surfaces that have different materials so that the service life of the processing means are significantly improved.
  • the solution of the invention consists in a method according to claim 1.
  • the inventive method according to claim 1 is characterized in that a cylindrical inner surface, in particular a cylinder liner which has at least one softer and at least one harder area in the axial direction, is finely machined by honing steps, a pre-honing step (pre-honing) and a fine honing step (fine honing).
  • Honing is understood here to mean any type of fine machining in which surface areas are removed by the action of abrasive particles. These abrasive particles are usually bound in a honing stone that is attached to a honing stone.
  • a cone is introduced during the honing along a cylinder axis, which extends from the harder area to the softer area. This cone is compensated for during the fine honing in the harder area up to an interface between the harder area and the softer area, so that in the end state there is again a cylindrical inner surface in the harder area. The cone is retained in the softer area. The cone, which crosses the boundary between the softer and harder areas, prevents the extremely fine abrasive particles on a honing stone from smearing through the material of the softer area.
  • the cone is introduced through a conical or honing stone aligned along a cone. Due to the conical or conical honing stone, the cone can already be specified by the tool and is exactly adhered to.
  • the cone is introduced by a conventional honing stone, the honing stone and the honing stone are controlled by the process parameters in such a way that increasing material removal takes place along the feed direction, which leads to the formation of the cone.
  • the process parameters that have the greatest influence on the formation of the cone are a feed rate of the honing tool along a cylinder axis and a contact pressure of the honing tool against the cylindrical inner surface.
  • honing stones are attached to a honing stone, which can each be extended or retracted for the corresponding application (for example pre-honing or fine honing).
  • the cone which is introduced along the cylinder running surface according to the invention, generally has a small radius change between 10 ⁇ m and 100 ⁇ m. This change in radius extends along the cylindrical inner surface over a length of between 20 mm and 200 mm. To avoid a discrete step in the softer area, the cone can open into an opposite cone, which leads to a convex shape in the softer area.
  • the convex shape can help reduce noise in engine operation.
  • FIG. 1 shows a section through an unprocessed cylinder liner with a harder area (top) and a softer area (bottom),
  • Fig. 2c a Vorhonen with a honing stone, which is occupied with two types of honing stones and
  • Fig. 3 shows a cylinder liner in the honed state
  • FIGS. 2a-c illustrate the method according to the invention in a simplified form, with FIGS. 2a-c showing alternative configurations for the introduction of a cone 11.
  • an unworked cylinder surface 2 is shown as a cross section.
  • the cylinder running surface 2 is divided into a harder area 4 and a softer area 6.
  • the transition 14 between the areas is discrete in this embodiment, but a smooth transition is also conceivable.
  • the harder area 4 of the cylinder running surface 2 is usually represented by a cylinder liner, which for example consists of a hypereutectic aluminum-silicon alloy.
  • the alloy has a silicon content of approximately 25%.
  • the high silicon content leads to a high hardness for aluminum alloys.
  • the softer area 6 consists of a conventional aluminum die-casting alloy.
  • the cylinder liner is possibly machined by a pre-turning, not shown in the figures, so that, due to production, coarser areas of the surface are smoothed for the subsequent honing.
  • a honing stone 7 with - usually several - honing stones 8 is inserted into the cylinder liner 2.
  • the honing stones 8 on the honing 7 are oriented obliquely with respect to an axial direction (cylinder central axis) 9, so that a cone 11 is formed along the cylinder running surface 2. It is also appropriate if the honing stones 8 already have a conical shape.
  • the cone 11 has a length 10 of approximately 100 mm and a radius change 12 of approximately 20 ⁇ m. It should thus be noted that the cone in FIGS. 2a-c and FIG. 3 is shown exaggerated for reasons of better illustration.
  • the honing stone 7 with the honing stones 8 is moved on the one hand with a feed V along the cylinder central axis 9, on the other hand the honing stone 7 is rotated about its own axis and in addition a rotating movement along a wall of the cylinder running surface 2 is described by the honing stone 7.
  • the honing stones 8, which are used for pre-honing, are preferably set with diamonds as grinding particles. there on average, the diamonds have a larger diameter than the abrasive particles used in fine honing.
  • the honing stone 8 is moved over the harder region 4 of the cylinder liner 2, the transition 14 to the softer region 6 being exceeded.
  • the coarse grinding particles are designed in such a way that they are not smeared by the aluminum alloy in the softer area 6. The service life of the honing stone 8 is thus not significantly impaired.
  • a conventional honing sheath 7 ⁇ is used to represent the cone 11, in which honing stones 16 are aligned largely parallel to the cylinder central axis 9.
  • the cone 11 is introduced in such a way that the feed V is correspondingly slowed down in the direction of the softer region 6 and / or the dwell time at a lower reversal point of the honing zone 7 ⁇ is correspondingly lengthened.
  • a honing stone 18 which contains (at least) two types of honing stones which can be moved out and back as required.
  • One of the- like honahle 18 is also referred to as double expandable honahle.
  • the double-expandable honing stone contains at least one set of honing stones 20 for pre-honing and one set of honing stones 22 for fine honing.
  • the honing 18 does not have to be exchanged for fine honing, which will be described below.
  • the double expandable honing honing can optionally be equipped with an angled honing stone analogous to FIG. 2a for pre-honing, or it may be subjected to the suitable control according to FIG. 2b. In both cases the cone 11 is shown.
  • the harder area 4 is finely honed to the desired tolerance and surface quality with a fine honing stone 26, 22 (FIG. 3).
  • the cylinder liner 2 has in the harder region 4 the cylindrical (or, depending on the requirement, almost cylindrical) shape, which is necessary for an optimal piston movement.
  • the cone 11 is retained in the softer region 6 and merges into a counter cone 30 to avoid an undesired step.
  • a convex shape 28 is formed in the softer area 6 by the rest of the cone 11 and the cone 30.
  • This convex shape in the lower area of the cylinder liner leads to better piston guidance and to a significant reduction in piston noise and therefore offers a comfort advantage in engine operation.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung einer zylindrischen Innenfläche, insbesondere einer Zylinderlauffläche, die in axialer Richtung Material verschiedener Härten aufweist. Die zylindrische Innenfläche wird einem Feindrehschritt einem Vorhonschritt und einem Feinhonschritt unterzogen. Das Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass durch den Vorhonschritt ein Konus (11) in der zylindrischen Innenfläche in der Art eingestellt wird, dass der Konus (11) sich von einem härteren Bereich (4) zu einem weicheren Bereich (6) hin aufweitet. In dem anschliessenden Feinhonschritt wird der Konus (11) im härteren Bereich (4) wiederum zu einer zylindrischen Innenfläche ausgeglichen, in dem weicheren Bereich (6) bleibt der Konus (11) bestehen. Hierdurch wird verhindert, dass die feinen Schleifpartikel auf dem Feinhonstein durch die Berührung mit dem weicheren Bereich verschmieren.

Description

DaimlerChrysler AG
Verfahren zur Feinbearbeitung einer zylindrischen Innenfläche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung einer zylindrischen Innenfläche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Feinbearbeiten von zylindrischen Flächen, insbesondere das Feinbearbeiten von Zylinderlaufflächen in Zylinderkurbelgehäusen wird in der Regel durch Honen realisiert. Hierzu gibt es eine Vielzahl von Veröffentlichungen, wie z. B. die DE 44 32 514 AI, in der ein Verfahren beschrieben wird, durch das ein hochgenaues Endmaß einer gehonten Fläche erzielt werden kann.
Die DE 196 05 588 C2 beschreibt ein Verfahren, in dem eine Zylinderlauffläche in einem oberen und unteren Totpunkt eines Kolbens so behandelt wird, dass sie in diesen Bereichen höheren Verschleißbedingungen standhält.
Der bekannte Stand der Technik beschränkt sich jedoch auf die Feinbearbeitung einer Fläche, die durchgehend das selbe Oberflächenmaterial aufweist. Es kann jedoch vorkommen, dass die Zylinderlauffläche durch unterschiedliche Materialien dargestellt ist. Hierbei handelt es sich um einen weicheren Bereich, der beispielsweise durch das Gussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses gebildet wird, und einen härteren Bereich, der durch eine Zylinderlaufbuchse dargestellt ist. In derartig gestalteten Fällen ist das Feinbearbeiten, insbesondere das Honen, besonders schwierig, da die angewendeten Bearbeitungsmittel, z. B. der Honstein, durch das weichere Material verschmiert und seine SchleifWirkung verliert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zylindrische Innenflächen, die unterschiedliche Materialien aufweisen, so fein- zubearbeiten, dass die Standzeiten der Bearbeitungsmittel deutlich verbessert werden.
Die Lösung der Erfindung besteht in einem Verfahren nach Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, dass eine zylindrische Innenfläche, insbesondere eine Zylinderlaufbuchse die mindestens einen weicheren und mindestens einen härteren Bereich in axialer Richtung aufweist, durch Honschritte, einem Vorhonschritt (Vorhonen) und einem Feinhonschritt (Feinhonen) feinbearbeitet wird.
Unter Honen wird hierbei jede Art von Feinbearbeitung verstanden, bei der Oberflächenbereiche durch die Einwirkung von Schleifpartikeln abgetragen werden. Diese Schleifpartikel sind üblicherweise in einem Honstein gebunden, der an einer Honahle befestigt ist.
Hierbei wird während des Vorhonens entlang einer Zylinderachse ein Konus eingebracht, der sich vom härteren Bereich zum weicheren Bereich hin ausdehnt . Dieser Konus wird während des Feinhonens im härteren Bereich bis etwa zu einer Grenzfläche härterer Bereich-weicherer Bereich ausgeglichen, so dass im härteren Bereich im Endzustand wieder eine zylindrische Innenfläche vorliegt. Im weicheren Bereich bleibt der Konus erhalten. Durch den Konus, der den Grenzbereich zwischen weicheren und härteren Bereich überschreitet, wird verhindert, dass die ausgesprochen feinen Schleifpartikel auf einem Feinhonstein durch das Material des weicheren Bereiches verschmieren.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Konus durch einen konischen oder einen, entlang eines Konuses ausgerichteten Honstein, eingebracht. Durch den konischen oder konisch ausgerichteten Honstein kann der Konus bereits durch das Werkzeug vorgegeben werden und wird exakt eingehalten.
In einer anderen Ausgestaltungsform der Erfindung wird der Konus durch einen herkömmlichen Honstein eingebracht, der Honstein und die Honahle werden durch die Prozessparameter derart gesteuert, dass entlang der Vorschubrichtung ein zunehmender Materialabtrag erfolgt, was zu Bildung des Konuses führt .
Die Prozessparameter, die den höchsten Einfluss auf die Ausbildung des Konuses haben, sind eine Vorschubgeschwindigkeit der Honahle entlang einer Zylinderachse und ein Anpressdruck der Honahle an die zylindrische Innenfläche.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind auf einer Honahle mehrere Typen von Honsteinen angebracht, die jeweils für den entsprechenden Anwendungsfall (beispielsweise Vorhonen oder Feinhonen) ausgefahren bzw. zurückgezogen werden können.
Der Konus, der erfindungsgemäß entlang der Zylinderlauffläche eingebracht wird, weist in der Regel eine geringe Radiusänderung zwischen 10 μm und 100 μm auf. Diese Radiusänderung erstreckt sich entlang der zylindrischen Innenfläche auf einer Länge zwischen 20 mm und 200 mm. Zur Vermeidung einer diskreten Stufe im weicheren Bereich kann der Konus in einen gegenläufigen Konus münden, was zu einer konvexen Form im weicheren Bereich führt . Die konvexe Form kann zur Geräuschreduzierung im Motorbetrieb beitragen.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert .
Dabei zeigen:
Fig. 1, einen Schnitt durch eine unbearbeitete Zylinderlauf- buchse mit einem härteren Bereich (oben) und einem weicheren Bereich (unten) ,
Fig. 2a, ein Vorhonen mit einem konischen ausgerichteten Honstein,
Fig. 2b, ein Vorhonen mit einem geraden Honstein,
Fig. 2c, ein Vorhonen mit einer Honahle, die mit zwei Typen von Honsteinen besetzt ist und
Fig. 3 eine Zylinderlaufbuchse im fertig gehonten Zustand
Die Fig. 1 bis 3 stellen das erfindungsgemäße Verfahren in vereinfachter Form dar, wobei die Fig. 2a - c alternative Ausgestaltungen des Einbringens eines Konuses 11 aufzeigen.
In Fig. 1 ist eine unbearbeitete Zylinderlauffläche 2 als Querschnitt dargestellt. Die Zylinderlauffläche 2 teilt sich in einen härteren Bereich 4 und in einen weicheren Bereich 6 auf. Der Übergang 14 zwischen den Bereichen ist in dieser Ausführungsform diskret, es ist jedoch auch ein fließender Ü- bergang denkbar .
Der härtere Bereich 4 der Zylinderlauffläche 2 wird üblicherweise durch eine Zylinderlaufbuchse dargestellt, die bei- spielsweise aus eine übereutektischen Aluminium-Silizium- Legierung besteht. Im vorliegenden Beispiel weist die Legierung einen Siliziumanteil von ca. 25 % auf. Der hohe Siliziumanteil führt zu einer, für Aluminiumlegierungen hohen Härte. Der weichere Bereich 6 besteht im vorliegenden Beispiel aus einer herkömmlichen Aluminium-Druckgusslegierung.
Die Zylinderlaufbuchse wird gegebenenfalls durch ein, in den Figuren nicht dargestelltes Vordrehen bearbeitet, so dass produktionsbedingt gröbere Bereich der Oberfläche für das folgende Honen geglättet werden.
In einem folgenden Verfahrensschritt wird eine Honahle 7 mit - in der Regel mehreren - Honsteinen 8 in die Zylinderlaufbuchse 2 eingeführt . Die Honsteine 8 an der Honahle 7 sind bezüglich einer axialen Richtung (Zylindermittelachse) 9 schräg ausgerichtet, so dass ein Konus 11 entlang der Zylinderlauffläche 2 ausgebildet wird. Es ist ebenfalls zweckmäßig, wenn die Honsteine 8 von sich aus bereits eine konische Form aufweisen.
Der Konus 11 weist eine Länge 10 von etwa 100 mm und eine Radiusänderung 12 von etwa 20 μm auf. Es ist somit anzumerken, dass der Konus in den Fig. 2a - c und Fig. 3 aus Gründen der besseren Veranschaulichung stark übertrieben dargestellt ist.
Die Honahle 7 mit den Honsteinen 8 wird zum einen mit einem Vorschub V entlang der Zylindermittelachse 9 bewegt, zum anderen wird die Honahle 7 um ihre eigene Achse gedreht und zusätzlich wird durch die Honahle 7 eine Rotationsbewegung entlang einer Wand der Zylinderlauffläche 2 beschrieben.
Die Honsteine 8, die für das Vorhonen angewendet werden, sind bevorzugt mit Diamanten als Schleifpartikel besetzt. Dabei weisen die Diamanten im Mittel einen größeren Durchmesser auf als die Schleifpartikel, die beim Feinhonen angewendet werden.
Während des Vorschubs V der Honahle 7 wird der Honstein 8 ü- ber den härteren Bereich 4 der Zylinderlaufbuchse 2 bewegt, dabei wird der Übergang 14 zum weicheren Bereich 6 überschritten. Die groben Schleifpartikel sind dabei derart ausgestaltet, dass sie durch die Aluminiumlegierung im weicheren Bereich 6 nicht verschmiert werden. Die Lebensdauer des Honsteins 8 wird somit nicht erheblich beeinträchtigt.
Analog zu dem unter Fig. 2a beschriebenen Verfahren wird in einer weiteren Ausführungsform nach Fig. 2b zur Darstellung des Konuses 11 eine herkömmliche Honahle 7Λ angewendet, bei der Honsteine 16 weitgehend parallel zur Zylindermittelachse 9 ausgerichtet sind. Der Konus 11 wird in der Art eingebracht, dass der Vorschub V in Richtung des weicheren Bereiches 6 entsprechend verlangsamt wird und/oder die Verweildauer an einem unteren Umkehrpunkt der Honahle 7Λ entsprechend verlängert wird.
Zusätzlich ist es möglich, den Anpressdruck P an die Zylinderlauffläche 2 zu erhöhen. Die genannten Maßnahmen bewirken, dass im entsprechenden Bereich der Abtrag erhöht wird. Die Parameter Vorschub V, Verweildauer und Pressdruck P werden durch eine geeignete Steuerung derart eingestellt, dass sich der erfindungsgemäße Konus 11 ausbildet.
In einer dritten hier aufgeführten Ausgestaltung der Erfindung nach Fig. 2c wird eine Honahle 18 angewendet, die (mindestens) zwei Typen von Honsteinen enthält, die je nach Anforderung heraus und zurück gefahren werden können. Eine der- artige Honahle 18 wird auch als doppelaufweitbare Honahle bezeichnet .
Die doppelaufweitbare Honahle enthält erfindungsgemäß mindestens einen Satz Honsteine 20 für das Vorhonen und einen Satz Honsteine 22 für das Feinhonen. Somit muss für das - im Weiteren noch beschriebene - Feinhonen die Honahle 18 nicht ausgetauscht werden.
Die doppelaufweitbare Honahle kann für das Vorhonen wahlweise mit einem winklig angestellten Honstein analog zu Fig. 2a ausgestattet sein oder sie kann der geeigneten Steuerung nach Fig. 2b unterzogen werden. In beiden Fällen wird der Konus 11 dargestellt .
Im Anschluss der in den Fig. 2a - c dargestellten Alternativen wird der härtere Bereich 4 mit einem Feinhonstein 26, 22 auf die gewünschte Toleranz und Oberflächenbeschaffenheit feingehont (Fig. 3) . Nach dem Feinhonen weist die Zylinderlaufbuchse 2 im härteren Bereich 4 die zylindrische (oder je nach Anforderung nahezu zylindrische) Form auf, die für eine optimale Kolbenbewegung notwendig ist.
Im weicheren Bereich 6 bleibt der Konus 11 erhalten und geht zur Vermeidung einer ungewünschten Stufe in einen Gegenkonus 30 über. Durch den Rest des Konuses 11 und dem Konus 30 wird eine konvex Form 28 im weicheren Bereich 6 gebildet.
Diese konvex Form im unteren Bereich der Zylinderlaufbuchse führt zu einer besseren Kolbenführung und zu einer deutlichen Reduzierung der Kolbengeräusche und bietet demnach einen Komfortvorteil im Motorbetrieb.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Verfahren zur Feinbearbeitung einer zylindrischen Innenfläche, insbesondere einer Zylinderlauffläche, wobei die zylindrische Innenfläche mindestens einem Vorhonschritt und einem Feinhonschritt unterzogen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
• dass die Zylinderlauffläche in axialer Richtung Material verschiedener Härten aufweist,
• dass durch den Vorhonschritt ein Konus (11) in der zylindrischen Innenfläche in der Art eingestellt wird,
• dass der Konus (11) sich von einem härteren Bereich
(4) zu einem weicheren Bereich (6) hin aufweitet und
• in dem anschließenden Feinhonschritt der Konus (11) im härteren Bereich (4) wiederum zu einer zylindrischen Innenfläche ausgeglichen wird und
• im weicheren Bereich (6) der Konus (11) bestehen bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Konus (11) der zylindrischen Innenfläche durch einen zu dieser konisch verlaufenden Honstein (8) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e.i c h n e t, dass der Konus (11) durch Einstellung der Honparameter erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Konus (11) durch die Einstellung eines Vorschubs (V) einer Honahle (7λ) in axialer Richtung (9) und/oder durch die Einstellung eines Anpressdrucks (P) der Honahle (7 ) an die zylindrische Innenfläche erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Honahle (18) mit unterschiedlichen Typen von Honsteinen (20, 22) eingesetzt wird, die selektiv für den Vorhonschritt oder Feinhonschritt angewendet werden oder die selektiv für unterschiedliche Bereiche (4,6) der zylindrischen Innenfläche angewendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Konus (11) in axialer Richtung (9) über eine Länge (10) von 20 mm bis 200 mm eingebracht wird und über diesen Bereich eine Radiusänderung (12) der zylindrischen Innenfläche von 10 μm bis 100 μm eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in den weicheren Bereich (6) ein zweiter gegenläufiger Konus (30) eingebracht wird, so dass im weicheren Bereich (6) eine konvexe Form (28) eingestellt wird.
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